片式散热器散热性能试验研究

片式散热器散热性能试验研究

1温升控制和自冷油浸式压作用时，内部绞架、铁心等部件损伤。损耗的能量转换为热量并通过变压器油的热传导和对流作用传递给油箱壁。热量使绕组、铁心、油箱壁和油面温度上升。而温升直接影响到绝缘材料的寿命,因此必须把温升控制在一定的范围内。采用散热器进行散热是必须的。片式换热器是目前变压器用的主流散热器。如何找到提高散热器总传热系数的方法用于增强片式散热器的散热能力,对于节约变压器的制造成本并延长其使用寿命是很有意义的。在居民区及一些对噪声、能耗有特殊要求而不能采用强迫冷却方式的地方,如何提高散热器自冷的效果也是一个很现实的问题。图1为工业中使用的散热器分类。笔者主要研究的是油浸自冷式散热器,其适用于容量比较小的产品,或者对噪声控制要求高的场合。2试验与研究方法2.1试验系统和试验材料在试验中采用对比的方式进行。普通的片式散热器如图2所示。国内设计的散热器一般片型为两块带一定数量纵向浅凹槽的冷轧钢板压合,两块板间纵向均匀N条焊缝以形成N+1条油道。进行对比的散热器改变了原有片型冷轧时的模具结构,这样就改变了片型的内部结构。试验中主要有以下4种片型。(1)搓板纹型散热片。(2)单面尖筋搓板纹型散热片:以上两种搓板纹型散热片是在单片冷轧钢板上冲压出横向外凸的半圆形或者三角形。(3)圆点纹型散热片:圆点纹型散热片是在单片冷轧钢板上冲压出内凹的直径约为10mm的圆点,圆点在板上均匀交错分布。这种散热片取消了常规的油道,圆点相当于焊点,圆点纹处正好是两块钢板的铆合处,油在交错布置的圆点间绕行,不断改变方向。(4)内塞绕流带散热片:这种散热片是在普通散热片的单个油道内塞入一根麻花形铝带,其弯曲形状配合油道尺寸。对比试验使用了能模拟变压器内部绕组等损耗发热的装置。为使试验结果直观可比,采用了两套能准确控制发热元件功率、结构尺寸相同的模拟变压器分别与普通型、改进型散热器连接成系统,系统中充满变压器油,两台装置放置于大房间内,关闭门窗以减少外界环境的影响。为了得到各种工况下两组片式散热器的散热性能情况,试验装置中采用了调压器和电流互感器来调节发热元件的功率参数,借助功率表可保证每挡工况下对比试验的两组散热器所承担的功率相同。每组片式散热器上,布置了10个热电偶,测量片壁上对应温度,并且用热像仪测量了片壁的温度场。试验原理图见图3。2.2试验结果的测量通过各自连接的功率表读数,调节控制两组试验装置的发热元件同时处于相同的功率。功率分为520W、640W、800W、1000W和1200W等几挡,每调一个挡时,在升温的过程中,每隔30min测量一次各测温点的毫伏数,同时测量环境温度和风速。当测量结果显示系统工作状态稳定时,隔10min重复一次作为系统稳定传热时的试验结果,然后将功率调高一挡。所测温度中,每组散热器有两点分别是进、出散热器的油温。测量的方法是将端头封闭的铜管斜插入上下集管,铜管与集管结合处焊牢,铜管中充满变压器油,热电偶伸入铜管中。这样,热电偶所测温度并非上下集管中油的真实温度,但考虑到铜的导热系数很大,所测温度误差很小,且两组散热器所用测温度条件相同,仍然有可比性。试验中用热电偶测定片壁外侧8个点的温度,加上红外点温度计测定的4个点温度,共测量出12个点温度数据,在传热计算时取它们的算术平均值作为外壁的平均温度。试验中用来模拟变压器的内装电加热器的圆筒及与散热器上下集管相连的上下两根横管均未保温,起到向外散热的作用,故需要测量其外壁温度作为传热计算依据,用红外测温计测量各点温度,取各点的算术平均值为其平均温度。散热器内油的平均温升取油进出散热器时温升的算数平均值。所有测温热电偶冷端均连接冰罐,并调校准确。热电偶材料为镍铬—考铜,所测毫伏值精确到0.001mV,所对应温度精度为0.01℃。所有散热器的充油量在试验完毕时用天平称量,精确到0.001kg。3试验结果及分析3.1筋碳纹型蒸发器试验数据见表1、表2、表3和表4。在表中,1号为三角尖筋搓板纹型散热器;2号为普通散热器;3号为圆筋搓板纹型散热器(单面,另一面为平板);4号为单面交错圆点纹型散热器(单面,另一面为平板);5号为内塞扰流铝带型散热器。3.2对比试验结果利用试验数据可以计算出如下项目:一是各功率下对比试验的两组散热器各自的散热量与传热系数;二是油自然循环的流量与流速。具体计算方法和公式参见文献。计算结果见表5、表6、表7和表8。3.3结果分析3.3.1空气侧与油侧热阻之比的确定分析对比试验的结果表明,三角尖凸筋搓板纹型与内插螺旋扰流铝带型片式散热器的传热系数较普通型提高3%~8%。因为油浸自冷散热器空气侧与油侧热阻之比为8~10,因此可以推断油侧的换热系数提高了50%以上。如果采用强迫风冷方式,减小空气热阻,这两种散热器的传热系数还会成倍提高。半圆凸筋搓板纹型和交错凹圆点型的传热系数提高不大。这说明了不同散热片的片型对于散热能力有着不同的影响,并非所有的翅片都可以提高传热效率。3.3.2减少循环油量采用了翅片的片式散热器由于油道容积的减少,使得循环油量比普通型要少。半圆凸筋搓板纹型散热器比普通型油量少10%左右,其余的比普通型油量少2%~3%。3.3.3不按比例增加从试验结果可见,在变压器损耗不同时,同一片式散热器总传热系数不同,损耗越高,总散热系数越大,但并不按比例增加。而对于对比试验的两组散热器,如三角尖凸筋搓板纹型与普通型散热器,前者在提高总传热系数以及降低油温方面的优势随着损耗的加大而变得越来越不明显,这是因为随着电加热器输入的损耗加大,模拟变压器担负的散热量占系统总散热量(即输入电功率)的份额加大而使散热器担负的散热量份额减小所致。4纹型与内插螺旋扰流铝带型通过试验研究了改变片式散热器的片型或结构对其散热性能与阻力特性的影响。试验表明,三角尖筋搓板纹型与内插螺旋扰流铝带型